磁気ナノリング

磁気ナノリングは磁性ナノ粒子の一種で、通常はリング状の酸化鉄でできています。医療分野やコンピュータ工学の分野でさまざまな用途があります。実験では、体の一般的な癌領域ではなく個々の細胞を攻撃することで、より局所的な癌治療が可能になり、癌細胞の識別精度が向上して腫瘍の画像がより鮮明になります。^[1]^[2]また、より効率的で小型のMRAM（コンピュータのメモリストレージユニット）も可能になり、それを収容する技術のサイズを縮小するのに役立ちます。^{[3]磁気ナノリングは、}ヘマタイトナノリングを基本構造として使用することで、さまざまな組成、形状、サイズで製造できます。 ^[4]

アプリケーション

がん治療

磁性ナノリングは、癌の温熱治療と癌の画像診断の精度を向上させることが実験的に証明されている。^[1]^[2]

温熱療法による癌治療

複数の研究により、磁性ナノリングは癌細胞を標的とし、環境加熱の量を制限することで磁気温熱療法による癌治療を改善し、よりカスタマイズされた治療を生み出すことが示されています。^[1]

磁気温熱療法は、がん細胞の高温（通常 40～44 度）に対する脆弱性を利用して細胞死を誘発する温熱がん治療の実験的分野です。^[5]^{[6]磁気温熱療法は、}磁気ヒステリシスの加熱特性を利用し、磁性ナノ粒子をがん部位に注入し、熱を伝導するために交流磁場を適用します。^[5]^[6]磁性ナノ粒子の使用は、表面治療（マイクロ波、超音波、放射線など）では届かない体の部位に到達でき、長時間がん部位に留まることができるため、1 回の注入で複数回の治療セッションが可能になるため、特に有用です。^[5]^[6]さらに、磁性ナノ粒子のサイズと形状に基づいて熱量を簡単に制御でき、一時的に抗体と結合して腫瘍を効果的に標的とすることができます。^[5]^[6]異物金属の使用による急性毒性が懸念されるかもしれないが、投与量は急性毒性範囲をはるかに下回っており、低温範囲での精度と有効性のため、他の方法よりも安全であることが研究で示唆されている。^[5]^[6]

研究では、磁気ナノリングをベースとした温熱療法は、免疫遮断チェックポイント技術と組み合わせて使用できることも示されています。これは、体の免疫系を刺激してがん部位を攻撃する方法です。^[6]^[7]具体的には、フェントン反応を誘発することで、がん細胞をより効果的に殺し、新しい細胞の成長を防ぐことができます。^[6]^[7]フェントン反応は鉄イオンを伴う反応で、酸性のがん環境をがん細胞にとって住みにくい塩基性環境に変換することによって機能します。したがって、鉄を含む磁気ナノリングは、がん治療に特に役立ちます。^[7]

これまでの磁気温熱療法による癌治療では、球形の超常磁性酸化鉄ナノ粒子（SPION）が使用され、腫瘍の周囲の環境を非特異的に加熱して健康な細胞を殺していました。^[1]これに比べて、磁性ナノリングである渦酸化鉄粒子（VIP）は、より制御された正確な細胞内温熱療法を可能にします。^[1]細胞内温熱療法は、VIPが細胞内に侵入して内側から加熱することで発生し、より特異的な形態の温熱療法を可能にします。^[1] VIPは磁気渦も生成します。これは、交流磁場下でVIPの磁気モーメント（磁気の強度と方向の測定値）が内側にカールする方向に発生することです。 ^[1]磁気モーメントの内側にカールする方向により、渦内のみで熱が生成されるため、より効率的で害の少ない治療法が可能になります。^[1]

がん画像診断

実験では、磁気ナノリングは腫瘍のより鮮明なMRIと光音響画像を作成することが示されています。 ^[2]この形態の磁気ナノリングには金が含まれており、花輪のような形をしています。^[2]繰り返しになりますが、磁気ナノリングは、花輪の形状が磁場と、癌細胞に特有の化学物質である高レベルのグルタチオンに反応して分解し、よりコントラストの高い画像化を可能にするため、従来の方法よりも効果的に癌細胞を特定します。^[2]

磁気共鳴画像

磁気ナノリングは、電流を高速に切り替える機能があるため、MRAM （磁気ランダムアクセスメモリ）に使用されています。 ^[3]磁気ナノリングは、MRAMのCIMS（電流誘起磁化スイッチング）のGMR（巨大磁気抵抗）粒子に代わるものです。これは、GMRの長い楕円形または長方形の形状が隣接するGMRと干渉するためです。^[3]^[8]この干渉により磁気ノイズが発生し、MRAMの有効性が低下します。^[3]^[8]これに比べて、磁気ナノリングの対称構造は、隣接するナノリングとの相互作用を減らすため、より一貫性と信頼性の高いMRAMが作成されます。^[3]^[8]ナノリングのサイズが小さいため、消費電力も削減され、よりコンパクトなMRAMを作成できるため、最終的には電子機器のサイズが小さくなります。^[3]

合成

磁性ナノリングは、反応速度を高めるためにマイクロ波を用いた水熱合成（高温で起こる合成反応）によって生成される。 ^[9]

${\ce {\alpha-Fe2O3}}$ （ヘマタイト）

ほぼすべての形態の磁性ナノリングは、塩化鉄(III)水溶液とリン酸二水素アンモニウム水溶液を220℃で混合して生成されるヘマタイト( )を改変することによって形成される。^[9]^[4]反応物の量を変えることで、生成されるヘマタイトの形状とサイズを制御する。^[4] ${\ce {\alpha-Fe2O3}}$

${\ce {FeCl3(aq) + NH4H2PO4(aq) -> \alpha-Fe2O3(s)}}$

${\ce {Fe3O4}}$ そして ${\ce {\ガンマ-Fe3O4}}$

${\ce {Fe3O4}}$ ヘマタイトと水素ガスを420℃で120分間加熱することで生成される。^[4]

${\ce {\alpha-Fe2O3(s) + H2(g) -> Fe3O4(s)}}$

${\ce {\ガンマ-Fe3O4}}$ 空気中で120分間210℃まで冷却することによって生成される。 ^[4] ${\ce {Fe3O4}}$

${\ce {Fe3O4(s) + 空気 -> \gamma-Fe3O4(s)}}$

${\ce {MFe2O4}}$

MはCo、Mn、Ni、Cuなどの2+電荷を持つ金属です。は、60℃で金属イオンと水酸化物イオンを含む水溶液と混合することによって生成され、その後、金属水酸化物（）コーティングがヘマタイトの上に形成されます。^[4]金属水酸化物コーティングされたヘマタイトは、その後、水素ガスとともに300℃で30分間加熱され、その後、空気とともに720℃で3時間再び加熱されてが形成されます。^[4] ${\ce {MFe2O4}}$ ${\ce {\alpha-Fe2O3}}$ ${\ce {M(OH)2}}$ ${\ce {MFe2O4}}$

${\ce {\alpha-Fe2O3(s) + M(OH)2(aq) -> \alpha-Fe2O3(s) + M(OH)2 (s)}}$

${\ce {\alpha-Fe2O3(s) + M(OH)2(s) -> MFe2O4 (s)}}$

参照

参考文献

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